Les éléments superlourds
Leçon publique présentée en vue de l’obtention du grade
d’Agrégée de l’Enseignement Supérieur
par...
Radioéléments ‘‘artificiels’’
Métaux
Non-métaux
Propriétés chimiques inconnues
Lavoisier (XVIII siècle)
Mendeleev (XIX siè...
noyau stable
noyau instable
Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
La carte des noyaux
SHE
SHE = ‘’Super Heavy Element’’
Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les m...
Les composants de la matière
Matière organique et inorganique
Atome
Noyau
(Nucléons)
Quarks et
Gluons10-10 m
10-14 m
10-15...
Les forces fondamentales
1. Interaction faible Intensité relative
Responsable des désintégrations
Produit des leptons, por...
La radioactivité
Noyaux stables: ils ne changent pas.
Noyaux radioactifs (la plupart): ils se
transforment spontanément en...
Les modes de décroissance
On va se servir de ces propriétés pour détecter et identifier de (nouveaux) éléments radioactifs...
noyau stable
décroissance +, EC
décroissance -
décroissance
fission
Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
La carte des n...
Les isotopes
Les isotopes sont des éléments avec le même nombre de
protons (Z), mais avec une masse atomique (A) différent...
Les éléments superlourds
1 p
Hydrogène
8 p + 8 n
Oxygène
109 p + 153 n
Meitnerium
…
N
Z SHE
L’atome d’un élément superlour...
Comment un noyau contenant un nombre de protons très élevé peut survivre à la répulsion
électrostatique entre ces protons?...
Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les m...
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Masse atomique A
L’énergie de liaison
Des évidences expérimentales montrent que la force nucléai...
Les limites de la stabilité
À partir de ceci, on définit les énergies de séparation:
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La fission spontanée
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La disposition des nucléons
Le noyau est un système quantique: les nucléons ne sont pas disposés de manière arbitraire, il...
L’îlot de stabilité
Les nombres correspondants aux fermetures de couche sont spécialement favorables en termes
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Nombre de neutrons, N
Nombredeprotons,Z
Sn = 0
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EF = 4 MeV
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La carte des noyaux
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Les effets de couche et la fission
Le modèle de la goutte liquide n’explique pas des évidences expérimentales:
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Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
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Motivation
Pourquoi synthétiser des éléments de plus en plus lourds ?
Pour explorer les limites de la stabilité: quel est ...
Le XXeme siècle: un siècle de découvertes
1896 – 1940: Période de la radioactivité
la radioactivité, le noyau atomique, le...
La période de la fusion chaude
(1952 – 1974): nouveaux faisceaux, réactions de fusion entre noyaux lourds et
projectiles ‘...
Fusion ‘‘froide’’:
éléments produits avec une énergie d’excitation plus basse, probabilité de
désintégration par fission f...
La carte des noyaux en 2006
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Sections efficaces et barrières de fission
Nombre atomique Z
Sectionefficace(nbarn)
fusion froide
fusion chaude
fusion cha...
Le séparateur à Dubna
‘‘Dubna Gas Filled Recoil Separator’’
Plan de la présentation
Notions fondamentales
La composition de la matière
Les forces d’interaction
La radioactivité
Les m...
La synthèse de l’élément 115
Fusion: Surmonter la barrière coulombienne ~
236 MeV Faisceau à 248 MeV
L’élément 115 est pro...
La synthèse de l’élément 115
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Conclusions
Depuis 25 ans, on produit des éléments superlourds (Z = 107- 116) par différents méthodes en
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Nombre de neutrons
Nombredeprotons
Le physicien est un explorateur naviguant vers l’îlot de la stabilité
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  1. 1. Les éléments superlourds Leçon publique présentée en vue de l’obtention du grade d’Agrégée de l’Enseignement Supérieur par Carmen Angulo Pérez Docteur en physique Salle du Sénat académique 1 septembre 2006 Où est la limite de la stabilité nucléaire?
  2. 2. Radioéléments ‘‘artificiels’’ Métaux Non-métaux Propriétés chimiques inconnues Lavoisier (XVIII siècle) Mendeleev (XIX siècle)
  3. 3. noyau stable noyau instable Nombre de neutrons, N Nombredeprotons,Z La carte des noyaux SHE SHE = ‘’Super Heavy Element’’
  4. 4. Plan de la présentation Notions fondamentales La composition de la matière Les forces d’interaction La radioactivité Les modèles théoriques: L’énergie de liaison et les limites de la stabilité Les nombres magiques La fission spontanée Les éléments superlourds Motivation Un peu d’histoire Techniques expérimentales Exemple: la synthèse de l’élément 115 Situation actuelle et perspectives Conclusions
  5. 5. Les composants de la matière Matière organique et inorganique Atome Noyau (Nucléons) Quarks et Gluons10-10 m 10-14 m 10-15 m < 10-18 m Protons (Z) et Neutrons (N) En principe, une telle structure atomique est valable pour des atomes très lourds avec Z~170 et au-delà, mais l’instabilité du noyau impose des limites à l’existence des éléments. Physique nucléaire
  6. 6. Les forces fondamentales 1. Interaction faible Intensité relative Responsable des désintégrations Produit des leptons, portée finie (~10-18 m) 10-14 2. Interaction électromagnétique 10-2 Électricité, magnétisme Interaction entre 2 corps chargés, attractive ou répulsive, portée infinie 3. Interaction nucléaire forte 1 Responsable de la cohésion du noyau atomique Interaction entre 2 quarks, attractive, portée finie (~10-15 m) Physique nucléaire vs. physique atomique Force nucléaire: mal connue Force électromagnétique: connue
  7. 7. La radioactivité Noyaux stables: ils ne changent pas. Noyaux radioactifs (la plupart): ils se transforment spontanément en un autre noyau, en émettant des particules. La chaîne de décroissance s’arrête seulement si le dernier noyau est stable. La demi-vie, T1/2 , est le temps après lequel la moitié des noyaux se sont transformés. Il varie de la fraction de seconde à plusieurs milliards d’années. Exemple: 238U (8 x , 6 x ) 206Pb.
  8. 8. Les modes de décroissance On va se servir de ces propriétés pour détecter et identifier de (nouveaux) éléments radioactifs: - recherche - médecine - radioprotection - radiobiologie … (avec émission de rayons X)
  9. 9. noyau stable décroissance +, EC décroissance - décroissance fission Nombre de neutrons, N Nombredeprotons,Z La carte des noyaux Étude de la ‘Terra Incognita’: 1. Pour définir les composantes de la force nucléaire. 2. Pour comprendre les raisons de la cohésion des noyaux et de ses limites. SHE SHE = ‘’Super Heavy Element’’
  10. 10. Les isotopes Les isotopes sont des éléments avec le même nombre de protons (Z), mais avec une masse atomique (A) différente à cause d’un nombre de neutrons différent (N). N Z isotopes A Z N … Riches en neutrons‘‘Riches’’ en protons Stables Radioactifs - Radioactifs + Exemple, les isotopes de l’oxygène connus: 3 stables, 10 radioactifs Les propriétés nucléaires peuvent évoluer rapidement le long d’une chaîne d’isotopes. Des noyaux de nombre atomique (A) différent peuvent présenter des propriétés similaires. Isotopes connus: 500 (1940), … 3000 (2006).
  11. 11. Les éléments superlourds 1 p Hydrogène 8 p + 8 n Oxygène 109 p + 153 n Meitnerium … N Z SHE L’atome d’un élément superlourds est composé d’un noyau avec un nombre de protons (Z) et de neutrons (N) très élevés, il a donc une masse nucléaire (A) très grande. ?
  12. 12. Comment un noyau contenant un nombre de protons très élevé peut survivre à la répulsion électrostatique entre ces protons? Et comment les électrons atomiques sont organisés dans leur champ électrique intense? Quelles sont les propriétés physiques et chimiques des superlourds? Quelle est la limite aux nombres de neutrons et de protons? Existe-il une limite? Existe-t-il des élément superlourds avec un temps de vie très long? Existent-ils dans la Nature? Si, oui, comment ont-ils été créés? …. Questions ouvertes Les forces à l’intérieur des noyaux: interaction coulombienne tend à éloigner les protons interaction nucléaire tend à lier le noyau L’existence des éléments superlourds est un problème scientifique essentiel et un défi pour la physique nucléaire.
  13. 13. Plan de la présentation Notions fondamentales La composition de la matière Les forces d’interaction La radioactivité Les modèles théoriques: L’énergie de liaison et les limites de la stabilité Les nombres magiques La fission spontanée Les éléments superlourds Motivation Un peu d’histoire Techniques expérimentales Exemple: la synthèse de l’élément 115 Situation actuelle et perspectives Conclusions Bibliographie
  14. 14. 14 12 EB/A(MeVparnucléon) Masse atomique A L’énergie de liaison Des évidences expérimentales montrent que la force nucléaire présente une saturation. La preuve la plus claire est donnée par l’énergie de liaison par nucléon: Terme de surface Terme coulombien Terme de volume 56Fe 2H 7Li 235U Modèle de la goutte liquide (von Weizsäcker, 1935) Noyau = fluide chargé incompressible et sans structure (sphérique). effet de parité: un noyau pair-pair est plus stable
  15. 15. Les limites de la stabilité À partir de ceci, on définit les énergies de séparation: décroissance spontanée protons: neutrons: alpha: Limitent les lignes de cohésion ou ‘‘driplines’’: liées à l’instabilité en particule associée à une durée de vie de l’ordre de 10-21 s ( ~ 0.6 MeV).
  16. 16. Nombre de neutrons, N Nombredeprotons,Z Sn = 0 Sp = 0 Sp = 0 EF = 4 MeV EF = 4 MeV La carte des noyaux La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé.
  17. 17. La fission spontanée L. Meitner et O. Frisch, N. Bohr et J. Wheeler (1939): théorie Paramètre de fissibilité : Plus il augmente, plus le noyau est instable. Disparition de la barrière de fission Il ne devrait pas exister… Exemples: G. Flerov et K. Petrjzak (1940): expérience Répulsion coulombienne Tension de surface Probabilité de traverser la barrière:Barrière de fission V(r) déformation 0 Demi-vie de fission:
  18. 18. La disposition des nucléons Le noyau est un système quantique: les nucléons ne sont pas disposés de manière arbitraire, ils occupent des couches successives d’états suivant le principe de Pauli. Nombre de neutrons Ex(1)enMeV 8 20 28 50 82 126 Énergie d’excitation des premiers états dans des noyaux pair-pair Des évidences expérimentales: Modèle en couche (M. Goeppert-Mayer et H. Jensen, 1955) Chaque nucléon est soumis à une interaction due aux autres nucléons. Fermeture de couche: L’intervalle d’énergie pour atteindre la couche suivante est plus grand. Le noyau correspondant à cette fermeture de couche est plus stable: les nombres magiques des noyaux très stables On résout l’équation d’Schrödinger pour un potentiel du type oscillateur harmonique. On remplit les couches (états) suivant le principe de Pauli. 2 8 20 50 28
  19. 19. L’îlot de stabilité Les nombres correspondants aux fermetures de couche sont spécialement favorables en termes de stabilité nucléaire: Les nombres magiques: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 Le nombre magique suivant est 184 … J. Wheeler (1956) prédit un îlot de stabilité sphérique autour du noyau Z = 114, N = 184 Des calculs récents prédisent l’îlot de stabilité autour de Z = 120 – 126, N = 172 – 184. N Z 184162 114 108 Îlot de stabilité des superlourds Transuraniens
  20. 20. Nombre de neutrons, N Nombredeprotons,Z Sn = 0 Sp = 0 Sp = 0 EF = 4 MeV EF = 4 MeV La carte des noyaux La position des ‘driplines’ dépend du modèle théorique utilisé. 28 50 82 50 82 184 126 126
  21. 21. Les effets de couche et la fission Le modèle de la goutte liquide n’explique pas des évidences expérimentales: Le noyaux non sphériques L’asymétrie dans la fission L’existence des isomères de fission …. oblate prolate Des prédictions essentielles pour l’existence des éléments superlourds: Guide pour les expérimentateurs V. Strutinsky (1967) introduit la déformation dans le modèle de la goutte liquide en ajoutant les effets de couche: Estimations plus réalistes des barrières de fission Calculs des temps de vie de fission: drastiquement augmentés pour certains noyaux Des modèles plus récentes: Champ moyen (Nilsson) Champ moyen auto-consistent (Hartree-Fock-Bogoliubov) Champ moyen relativiste
  22. 22. Plan de la présentation Notions fondamentales La composition de la matière Les forces d’interaction La radioactivité Les modèles théoriques: L’énergie de liaison et les limites de la stabilité Les nombres magiques La fission spontanée Les éléments superlourds Motivation Un peu d’histoire Techniques expérimentales Exemple: la synthèse de l’élément 115 Situation actuelle et perspectives Conclusions Bibliographie
  23. 23. Motivation Pourquoi synthétiser des éléments de plus en plus lourds ? Pour explorer les limites de la stabilité: quel est le prochain nombre magique? Pour étudier: Leur structure (énergies d’excitations autour des nombres magiques) Leurs propriétés de décroissance (énergie des alpha, barrières de fission). Pour comprendre: Le processus de formation (sections efficaces, influence de leur structure) Un peu d’histoire…
  24. 24. Le XXeme siècle: un siècle de découvertes 1896 – 1940: Période de la radioactivité la radioactivité, le noyau atomique, le neutron, la synthèse de nouveaux éléments radioactifs, la radioactivité artificielle, la fission induite H. Becquerel, P. et M. Curie F. et I. Joliot-Curie E. Rutherford, J. Chadwick L. Meitner, O. Hahn et F. Strassman Transuraniens Noyaux très lourds Noyaux superlourds 1940 – 1952: Période des neutrons le groupe de Berkeley, le Projet Manhattan, les bombes nucléaires (Pu, H…) 1952 – 1974: Période de la fusion chaude les éléments sont produits avec une grande énergie d’excitation émission de neutrons ou fission. 1974 – 1999: Période de la fusion froide énergie d’excitation plus basse, probabilité de fission faible, mais répulsion coulombienne plus grande. À chaque période: une technique de production
  25. 25. La période de la fusion chaude (1952 – 1974): nouveaux faisceaux, réactions de fusion entre noyaux lourds et projectiles ‘‘légers’’ 1974 1955 Mendélévium (Z = 101) 1958 Nobélium (Z = 102) Lawrencium (Z = 103) 1964 Rutherfordium (Z = 104) 1970 Dubnium (Z = 105) 1974 Seaborgium (Z = 106) Glenn Seaborg pointe l’élément portant son nom (beaucoup de controverse à propos des noms des nouveaux éléments!) Seaborg et Ghiorso Flerov et Oganessian Fusion ‘‘chaude’’: fusion suivie d’évaporation, les éléments sont produits avec une grande énergie d’excitation, conduisant à l’émission de plusieurs neutrons ou à la fission. Cibles lourdes (U, Pu, Am, Cf ..) – des actinides Projectiles (B, C, O, N, Ne…) LBL Berkeley JINR Dubna 1955 La Guerre froide USA vs. Russie: grande avancée dans la physique des ions lourds Élément produit: Contient assez de n, des chaînes de décroissance courtes et inconnues, terminant sur des noyaux fissiles
  26. 26. Fusion ‘‘froide’’: éléments produits avec une énergie d’excitation plus basse, probabilité de désintégration par fission faible, mais répulsion coulombienne plus grande. Cibles (Pb, Bi ..) Projectiles lourds (Cr, Fe,…) La période de la fusion froide (1975 – 1999): cibles plus ‘légères’, des collaborations internationales, des nouvelles techniques… 1975 1981 Bohrium (Z = 107) 1982 Meitnerium (Z = 109) 1994 Darmstadtium (Z = 110) Roentgenium (Z = 111) 1996 Élément 112 1999 Élément 114 Élément 116 1981-1984 1994-1996 1984 Hassium (Z = 108) 2004 Élément 113 2005 Élément 115 1999 - … UNILAC SHIP Separator for Heavy Ion Products Limitations de la fusion froide: Section efficace de fusion basse Nombre de neutrons limités On reprend la fusion chaude avec un faisceau de 48Ca à Dubna (Z = 114, 115, 116, …) Mais également à RIKEN (Z = 113), GANIL, Berkeley… Darmstadt 1999 Élément 118 Élément produit: Moins de n, des longues chaînes terminant dans des noyaux stables
  27. 27. La carte des noyaux en 2006 111 112 113 114 117 115 118 116 160 162 164 166 168 170 172 174 176 178 180 182 184 152 158156154 Mt 266 Db 262 Db 263 Sg 266 Db 258Db 256 Db 260Db 257 Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263Rf 259Rf 256Rf 255 Rf 258 Bh 261 Bh 262 Rf 257 Db 261 Sg 260 Sg 261 Sg 263Sg 259 Bh 264 Bh Hs Ds Sg 258 Lr 259 No 258 Lr 260 No 259 Lr 261 Lr 262 No 262No 260 Lr 258 No 257 Lr 255 No 254 Lr 254 No 253 Lr 257 No 256 Lr 256 No 255 Md 257 Fm 256 Md 258 Fm 257 Md 259 Md 260 Fm 258 Fm 259 Md 256 Fm 255 Md 253 Fm 252 Md 252 Fm 251 Md 255 Fm 254 Md 254 Fm 253 Es 255 Es 256Es 254Es 251Es 250 Es 253Es 252 Cf 255 Cf 256Cf 253Cf 250Cf 249 Cf 251 Cf 252 Cf 254 110/273110/271 111/272 No Md Fm Es Cf proton number 150 Db Rf Lr No Md Fm Es Cf Z = 114 1 Hs 267Hs 265Hs 264 a a a 110/270 Hs 266 Sg 262 110/269 Mt 268 112/277 110/267 Mt Hs 269 Hs 270 Sg 265 Sg Nombredeprotons aa 108/2 75 110/279 106/271 112/284112/282 114/286 114/287 10.01 114/288 9.95 116/290 115/288115/28 7 113/284113/283 111/280 109/276 107/272 111/279 109/257 116/291 10.85 10.74 112/285 110/281 114/289 9.82 9.169.54 9.30 8.53 10.00 10.4610.59 10.12 9.75 9.71 9.02 10.37 10.33 105/268 15 ms 32 ms 87 ms 6.3 ms 0.1 s 0.15 s 0.17 s 0.72 s 9.8 s 16 h 9.7 ms 0.48 s 0.1 s0.5 ms 3.6 s 0.18 s 2.4 min 9.6 s 34 s 0.56 s 0.63 s 2.7 s0.16 s 10.20 112/283 4.0 s 116/292 10.66 16 ms 107/217 116/293 53 ms 1.8 ms 118/294 11.65 105/267 1.2 h 10.53 9.70 104/268104/267 2.3 h N=184 FUSION FROIDE: Cibles: Pb, Bi Faisceau: Cr, Fe… FUSION CHAUDE Cibles: U, Pu, Cf, Am (radioactives, riches en neutrons) Faisceau: 48Ca (stable!, excès de 8 neutrons, très cher) Nombre de neutrons Îlot de stabilité des superlourds
  28. 28. Sections efficaces et barrières de fission Nombre atomique Z Sectionefficace(nbarn) fusion froide fusion chaude fusion chaude avec 48Ca Avec des sections efficaces de l’ordre du picobarn, avec les intensités des faisceaux et les efficacités de détection actuelles 1 événement en 1- 2 semaines d’expérience Les réactions de fusion avec 48Ca produisent des éléments avec des barrières de fission plus élevées noyaux décroissent par alpha
  29. 29. Le séparateur à Dubna ‘‘Dubna Gas Filled Recoil Separator’’
  30. 30. Plan de la présentation Notions fondamentales La composition de la matière Les forces d’interaction La radioactivité Les modèles théoriques: L’énergie de liaison et les limites de la stabilité Les nombres magiques La fission spontanée Les éléments superlourds Motivation Un peu d’histoire Techniques expérimentales Exemple: la synthèse de l’élément 115 Situation actuelle et perspectives Conclusions Bibliographie
  31. 31. La synthèse de l’élément 115 Fusion: Surmonter la barrière coulombienne ~ 236 MeV Faisceau à 248 MeV L’élément 115 est produit à une énergie d’excitation de 40 MeV Désexcitation par émission de 3 neutrons et des gamma Ex= 40 eV Ex= 0 neutron neutron gamma neutron Durée de l’expérience: 1 mois Consommation de 48Ca: 0.5 mg/heure Yu. Ts. Oganessian et al., Phys. Rev. C69, 021601 (2004); Phys. Rev. C72, 034611 (2005).
  32. 32. La synthèse de l’élément 115 fission 10.46 MeV 9.75 MeV 9.71 MeV 125 ms 0.69 s 5.2 s 14.14 s 1.03 s 115 113 111 Mt Bh 288 284 280 276 272 5 4 3 2 1 9.02 MeV 0. Db 268 10.00 MeV Technique de la corrélation génétique Isolation chimique (Ta, Nb) Demi-vie T1/2 ~ 30 heures Détection et identification (temps, énergies) des cinq alpha Signatures de la fission spontanée du 268Db (Z=105) Décroissance alpha + fission
  33. 33. Que nous a appris l’expérience? Synthèse: Plus le noyau est lourd, plus de neutrons il contient, et plus il est difficile à synthétiser Nombre limité des candidats cible et faisceau Les section efficaces de fusion augmentent avec: La différence des masses (A) des noyaux qui fusionnent La fermeture de couche Détection: Plus le noyau est lourd, plus il est difficile à détecter: La principale méthode d’identification: alpha + fission spontanée (corrélation génétique) Utilisation de séparateurs + système de détections sophistiqués
  34. 34. Présent et futur des superlourds De nouvelles idées: Utiliser des projectiles plus lourds: barrières de Coulomb plus élevées mais énergies d’excitations plus basses plus haute probabilité de survivre JINR, Dubna (DGFRS, Vassilisa) RIKEN, Tokyo (GARIS) JAERI, Tokai (RMS) GSI, Darmstadt (SHIP) GANIL, Caen (LISE3) JYFL, Jyväskylä (RITU) LBL, Berkeley (BGFS) ANL, Argonne (FMA) Synthèse Spectroscopie
  35. 35. Conclusions Depuis 25 ans, on produit des éléments superlourds (Z = 107- 116) par différents méthodes en utilisant des accélérateurs et on étudie leurs propriétés (spectroscopie). Actuellement: Z = 118 (2 événements!). Ils restent un défi pour la physique nucléaire et la radiochimie et un sujet d’actualité: programmes de recherche des nouvelles installations à court et à long terme. Les noyaux dans l’îlot de stabilité sont en principe isolés: Pas de chaînes de décroissance alpha. Des nouvelles idées et techniques d’identification (techniques chimiques, de spectrométrie de masse, spectroscopie laser, …) Physiciens: tests d’une valeur inestimable des modèles théoriques. Chimistes: prédictions des propriétés des éléments jusqu’ici inconnus. Répondre à de multiples questions sur les propriétés et les limites de la matière nucléaire
  36. 36. Nombre de neutrons Nombredeprotons Le physicien est un explorateur naviguant vers l’îlot de la stabilité

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